太阳能无人机的能源系统技术与发展趋势

金礼芬，蒲 建，杨文斌，郑永航，祝小梅

（吉利学院 四川 成都 641423）

0 引言

由于全球不可再生能源的短缺，各个国家都在大力发展新的能源。新能源以储存量大、可再生、无污染的独特优势成为关注的焦点。新能源的应用非常广泛，比如农业、航空航天、气象、测绘等。世界上第一架太阳能飞机Sun-rise 在1974 年11 月4 日完成首次飞行，从此拉开了太阳能飞机的研究序幕[1]。无人机的种类繁多、应用范围广，比如在侦察卫星、遥感卫星，但是当油耗消耗完时就会停止工作。另外要实现全时的监测信息会因为卫星过境的时间相对较短而限制。以上问题，都会导致在24h 的监测以及每个时间段的有效监测无法完成，就会降低对我国领土的主权保护。

为了解决能源系统的问题，太阳能无人机能源系统的研究得到了发展。它采用清洁的太阳能作为能源动力并且结合搭载的高性能机载工具，可以实现实时信息的监测。目前太阳能无人机飞行的范围可达到0 ～29.5 km，在空中停留的时间可以达到10 天以上[2-3]。由于要获得连续的监控信息，实现空间任务完成的灵活变化快的特点，因此空中巡视的范围广阔、停留时间长就显得十分的重要[4]。

由于能源的短缺，太阳能无人机的长时间飞行、灵活多变、经济环保受到了各国政府和研究所的青睐[5-6]。随着科技的创新与发展，太阳能无人机能源系统设计有进一步的发展。

1 太阳能无人机能源系统国内外研究现状

1.1 国外研究现状

全世界都在关注着太阳能无人机的发展，太阳能无人机进入正式的发展阶段是在1974 年11 月4 日，世界上的第一架Sunrise I 太阳能无人机首飞成功的时候。Sunrise I 能够在百米高空中飞行20 min，机身搭载了4 096 块硅太阳能电池板，提供的功率是450 W[7]。1995 年9 月，设计的太阳能无人机的翼展比一般的飞机要长，并且它采用的动力源是太阳能电池和储能电池。这样设计出来的太阳能电池的飞行高度可以达到15.4 km，整个无人机的机体的重量达到252 kg，它是由美国宇航局（NASA）研发出来的，取名“探路者号”[8]。在2001 年“太阳神”无人机问世，飞行高度创下达到29.53 km，标志着太阳能无人机的发展得到了进一步的提升[9]。

2010 年新型太阳能无人机西风“Zephyr 7 号”在当年7月完成试验飞行，连续飞行时间可以达到336 h，飞行时间在当时创下了单次飞行时间最久的记录[10]。“西风号”的太阳能无人机在能源供给系统进行了新的研究，不再采用单一的能源系统，而是将锂离子电池和太阳能电池结合在一起进行供能。飞机在飞行的过程中自身的重量也是限制飞行的一大因素，因此该团队对飞机的重量方面进行了设计，采用较轻的碳纤维材料来制作飞机的机体，从而减轻了飞机的重量，为后续太阳能无人机的改进提供了借鉴[11]。

太阳能无人机的另外一个核心部分就是能源供给系统，在2008 年，Andrew T.Klesh 对太阳能无人机的能源供给系统进行了研究，他主要研究的是对能量进行规划，以此达到最好的标准，同时对太阳能无人机的续航能力的持久性进行了研究[12-13]。2013 年，Bohwa L 同样对太阳能无人机的能源管理系统进行了研究，他们课题组根据动力模拟数据结果和实验室的综合结果进行了分析和研究，对能源系统的性能进行研究。该团队的创新点主要是对能源系统进行了建设，采用了燃料电池、电池组及太阳能电池的系统[12]。

综上所述，国外对太阳能无人机能源系统的研究较早，研究的范围较广，为后续的太阳能无人机能源系统的发展积累了很多的经验。但是太阳能无人机能源系统的研制过程是耗时和复杂的，未来太阳能无人机能源系统的发展还会有更多的挑战和机遇。

1.2 国内研究现状

我国对太阳能无人机能源系统的研究相对较晚。虽然起步晚，但是该领域的重要性和应用广泛性对它的发展速度进行了极大促进作用，目前各个行业都在钻研该项目，并且也取得了较多的成果。

国内的第一台太阳能无人机“翱翔者”，其研发者主要是李晓阳博士和赵庸教授团队，该太阳能无人机的发明具有重要的时代意义[14]。“翱翔者”机长1.25 m，机翼翼展宽1.88 m，飞行高度在1 000 ～1 500 m，飞机的机翼上面共铺设了120 片单晶硅太阳能电池片，安装了GPPS薄膜缓冲层，采用了特制的镍氢电池作为储能系统。2005年，清华大学的张锦绣对太阳能无人机的设计提出了新的想法。主要的创新在于在研发的过程中引入一个新的因素——风速，然后使用可行算法进行实验研究，得到实验的结果对能源管理方面进行一个的初步分析[15]。制作太阳能电池、高压气体储能及锂电池的新型混合能源系统，结合新能源系统需要解决的技术难题以及国内技术现状，论述了该系统的工作方式。2014 年，曲鹏[16]提出了未来太阳能无人机电源控制系统的发展方向，主要来自于对现有太阳能电池、储能电池以及太阳能无人机电源控制系统的特点进行了分析后得出来的结论。

综上所述，虽然我国的太阳能无人机能源系统研究的起步较晚，但是通过文献的分析我们可以知道，国内的太阳能无人机能源系统的研究还是在行业内取得了较好的成绩和较快的研发速度。相信在未来科技的发展中，我国的太阳能无人机能源系统将会取得更多的成果。

2 能源系统

太阳电池阵、储能电池及能源管理系统构成了太阳能无人机能源系统[17]。本文主要介绍太阳能无人机的太阳能电池、储能电池。

2.1 太阳能电池

太阳能电池因为具有柔性、轻质、高性能的特点，所以一般在太阳能无人机中作为发电单元。满足该特性的太阳能电池主要有钝化发射极及背局域接触（PERC）电池、晶体硅异质结（SHJ）电池、柔性多结砷化镓电池、交叉背接触（IBC）电池。薄膜电池的种类比较多，也可以应用在太阳能无人机的发电单元中，比如常用的有：薄膜太阳能电池（GaAs）、铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳电池、非晶硅（α-Si）薄膜太阳电池等。

从国内外的研究中发现，太阳能无人机的供能系统如果采用的是铜铟镓硒太阳电池、非晶硅太阳电池的话，在能源供应系统中的性能提升是十分有限的，主要影响因素是因为它的产业配套发展不完整限制其发展。另外，钝化发射极及背局域接触电池、交叉背接触电池、晶体硅异质结电池这3种电池也有它的限制因素，因为这3 种电池的基底都是采用超薄单晶硅制作的，这种基底材料是有缺点的，并且另外一个缺点就是PERC 电池和IBC 电池的电池结构是不对称的，这就从另外一个方面限制了它的发展。在这几种电池中发展潜力最大的是柔性砷化镓太阳电池，但是它的缺点就是产量较少，会造成供需不平衡，从而导致它的生产成本较高。在这3 种电池中最容易实现生产的就是SHJ 电池，这种电池的结构是对称结构，处理的工艺主要采用的是低温制造工艺，融入新的设计——异质结PN 结设计。在实现质量轻、效率高、制作出超级薄的电池是比较容易实现的。通过以上3 种电池的分析，可以得到的结论是，在航空航天中太阳能无人机的使用前景比较好的电池主要是砷化镓电池和SHJ 这两种电池。

2.1.1 晶体硅异质结（SHJ）太阳电池

日本三洋公司发明的SHJ 电池是一种高效的太阳能电池[18-19]，该电池的结构从下到上依次为氧化透明导电层、n 型氢化非晶硅层、本征性氢化非晶硅层、p 型氢化非晶硅层、氧化透明导电层TCO。中国信息技术研究所和中科院上海微系统联合一起研制出了高效率的SHJ 电池，研制出来的电池硅片厚度为85 μm，在实验室的最高转换效率可以达到24%。将实验室的电池转化到实际生产中，可以得到硅片的厚度95 μm，此时电池的产业化效率可以达到22.5%。SHJ 电池在制作的工艺中温度低于200 ℃，避免了产生高温热应力导致的硅片弯曲，降低了破损的风险，成品率达到了98%以上。高效、超薄、柔性的双面发电SHJ电池实现了量产。

2.1.2 砷化镓电池

砷化镓太阳电池和硅太阳能电池对比，它的优点非常的明显，主要有抗辐射性能好、转换效率高、耐高温和可制成全柔性电池等。目前，最新的柔性多结砷化镓薄膜太阳电池的制作方法比较独特，主要采用的制作技术是倒装晶格失配（IMM 结构）结构，然后在此基础上再配合外延剥离技术（Epitaxial Lift Off. ELO）进行柔性化处理。这种技术的操作方法就是在砷化镓衬底上，使用一种外延生长GInP/GaAs/InGaAs 等子电池的技术，将生长的等子电池进行剥离和转移，最终沉积在它的柔性衬底上，这样制作的就是砷化镓电池[20-21]。中国电子科技集团公司第十八研究所研制了全柔性砷化镓太阳电池，制作的电池的组件面密度可以达到415 g/m2。半硬式砷化镓太阳电池组件面密度为550 g/m2，效率超过29%。但是，从文献中可以看出电池的制作技术是在发展的，但是我国新型高效电池的研发仍然处于起步的阶段，该类型的电池制备成本仍然较高，要达到大量应用仍然需要一定的时间。

2.2 储能电池

太阳能无人机是否能够跨夜飞行、循环寿命等这些关键因素都是由储能电池的性能优劣决定的。目前能够长时间飞行的太阳能无人机，一般采用的能源系统是锂硫电池和纳米线结构硅负极锂离子电池。

2.2.1 纳米线结构硅负极锂离子电池

纳米线结构硅负极锂离子电池可以实现单体的批量生产，这一技术是美国Amprius 公司实现的[22]，最初使用在空客公司无人机项目中。该电池的电池体积能量密度大于1 200 W·h/L，重量能量密度大于435 W·h/kg。2018年7 月11 日，采用硅纳米线锂离子电池作为能源系统研制的太阳能无人机“Zephyr S”完成了首飞。该太阳能无人机飞行了25 天23 小时57 分钟后，于8月5日降落在亚利桑那沙漠。此次的飞行时间创造了新的记录，并且该太阳能无人机的飞行高度也创造了记录。

2.2.2 锂硫电池

锂硫电池在太阳能无人机的方面也有广泛应用。在2004年美国Sion Power 公司研发了高能锂硫电池，它的循环周期可以达到300 周，比能量达到250 ～300 W·h/kg[23]。锂硫电池还可以应用在高空飞行的太阳能无人机上，在2010年Sion Power 公司就将这一技术应用成功。并且成功研制出新型太阳能无人机，该无人机的飞行高度可以达到21 km，连续飞行的时间可达到14 天零22 分钟8 秒。该无人机飞行在低温低压环境下，得出的实验数据创造了多项世界纪录。在该太阳能无人机上面应用的电池的额定容量为2.5 Ah、比能量达到了350 W·h/kg。

3 能源的获取方式

由于储能电池的储存能力是有限的，因此改变单一能源的供给关系就可以解决能源限制的问题。所以实现能源的多元化就显得格外的重要，获取能源的方式有：电磁感应式无线传能、电磁共振式无线传能、微波无线传能、激光无线传能等[24-25]。20 km 级的飞行高度是适合无人机的飞行高度，针对这一高度的能源获取的方式主要是微波无线传能、激光无线传能。

3.1 微波无线传能

将大气电离层和地球作为谐振器，这个谐振器可以产生低频谐振向外发射，产生的电磁波为8Hz 的电磁波，再使用天线接收电能，这样的就叫做微波无线传能技术[26-27]。Brown 最先验证微波动力直升机，此后其他国家也开始研究该领域的技术。在1992 年，2.411 GHz 的微波驱动飞机可以使用无线充电飞行25 m。美国在2006 年研发了高空飞行的微波无线传能技术，主要有两种模式，第1 种模式是太阳光充足的白天，将多余的能量利用微波无线传能技术传给下方的小型无人机以此供电。第2 种模式是无阳光的夜晚，将地面的电池供电的能量利用微波无线传能技术给高空的无人机，让它有能量可以完成夜间的作业[28]。

3.2 激光无线传能

激光无线传能技术主要适用远距离的传能领域，它的主要优点是指向性好、传送的远、接收的使用面积小等[29]。各个国家都加入研究它的热潮中，在2005 年，美国研究机构对15 m 之外的小型飞行器的表面进行光照，照射的表示是Ga:In:P2，完成了6 W 的供电需求。在2012 年，美国的马丁和动力公司合作，研发了新型的光能量传输系统，可以实现室外的无线传能，并且可以在空中飞行48 h[30]。

虽然激光无线传能指向性好，有利于能量的收集，有成熟的技术，但是它的传输效率低。而微波的传输性能好，几乎可以达到100%，难点在于在无人机上的安装技术也不太成熟。总之，目前使用较多的是激光无线传能，而微波无线传能更具有发展潜力。

4 能源载荷的实现

要实现能源的载荷，主要依靠大口径、高性能的天线。传统的天线的屏蔽作用会占据能源系统的一部分面积，使它的性能无法达到最优化，同时无人机的气动外形会受到突出的天线的影响，导致气动效率下降。这些问题的解决方法主要是采用平面阵天线技术。具有的主要类型有间隙型、贴片型、超材料和偶极子光伏天线等[31]。目前采用较多的技术是光伏阵列和天线阵列结构形成一体的方式。主要的缺点是无法将两者真正融合在一起，系统变得复杂且不稳定。新型的技术是将天线辐射主体换成太阳能电池，目前处于研发阶段。未来光伏天线需要解决的问题主要有3 个：第一是没有微波交流等效电路模型；第二是电池和天线融合为一体的可能性；第三是交流电和直流电的兼容性。

5 能源系统的管理

目前，能源系统主要存在的问题是能量、重量和功率平衡不能兼有，限制着能源控制系统的性能。保障能源系统对载荷的需求，就要加大交流器、储能电池和导线的使用，造成系统的质量超重，影响系统的效率[32]。目前主要存在的问题有充放电会被光照不稳定影响，导致供电能量减弱；电池步骤的跨度大，安装分散导致传输距离长，电量损失加大；电池放电过多使能源系统重量增加。要解决这些问题主要的方法有3 种方式：第一种是均衡放电和充电，在保障功率平衡的情况下可以使效率最大。第二种是找到建立和控制系统模型的方法，先建立系统的静态连接模型，然后建立系统的动态能流模型，找到数据和机理融为一体的方法，最后通过建立宏观和微观的模型，找到智能调度的方法论。第三种是通过理论研究、模拟分析找到构建控制系统硬件的原则。

6 结语

太阳能无人机的优点颇多：可以实现高空飞行，可以持续停留在空中工作。可以在临近空间飞行，并且可以替代低轨道人造卫星的方案，提供更加经济、更通用的各种服务。但是制约太阳能无人机的续航时间和飞行里程的主要因素还是能源系统的技术发展。

目前，太阳能无人机能源系统的关键技术和发展趋势主要是使用的储能电池目前无法满足长时间续航的要求，发展主要遇到的问题是能源系统可以利用的面积较小、在载荷的过程中重量的大小也影响着飞机的飞行和能源的使用效率。能源系统分布太分散，不具备智能性。所以未来太阳能无人机能源系统的发展趋势应该是智能化，面积利用率变大和载荷变轻。

能源的获取方式、能源的载荷和能源的管理问题都是制约太阳能无人机能源系统发展的主要因素，在未来的研究中将能源的获取方式多样化、能源载荷中将光伏和天线载荷融为一体、将能源管理问题智能化、高效化都是太阳能无人机能源系统的发展趋势。